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鉆孔瓦斯噴出事故分析及其預防

某礦在施工回采巷道軌道順槽的過程中,發生一起比較嚴重的鉆孔間歇性瓦斯噴出事故(以下簡稱噴孔),并伴有大量的水、煤泥的噴出,噴出點附近瓦斯達到6%以上。這次噴孔事故,累計噴出瓦斯約1 000 m3,水及煤泥約200 m3,嚴重影響了安全生產。   1 地質條件   該工作面設計為綜采工作面,所開采煤層為煤與瓦斯突出煤層,埋深640~670 m,煤層厚度3.7~4.0 m,為穩定厚煤層,f=0.8~1.2,產狀200°∠12°~32°,瓦斯含量8 m3/t。煤層直接頂板為泥巖、含炭泥及0.8 m薄煤層組成的復合頂板,厚度4.4 m;老頂為灰白色厚層細砂巖,厚度5.4 m,富水性及導水性弱,水文地質條件簡單;煤層底板為泥巖。   根據高分辨率三維地震勘探成果,該工作面地質構造比較簡單,設計工作面避開了2個逆斷層Fs1(落差H=0~10 m)和Fs2(落差H=0~5 m),Fs1走向257°,傾角45°,與軌道順槽斜交,2斷層均未曾揭露過,根據井田構造應力狀態、斷層發育規律以及采掘揭露斷層情況,2斷層屬封閉性逆斷層,導水性和富水性較差。   2 巷道施工概況   軌道順槽設計長度950 m,沿煤層頂板施工,綜合機械化掘進,巷道支護主要采用錨索網支護,巷道寬度4.0 m,巷中高度≥2.6 m(由于煤層傾角變化大,上下幫高度相差大),構造復雜地點(斷層、頂板破碎帶等處)采用鋼性U型棚支護,U型棚跨度高為3.3 m,寬度為4.7 m。   由于開采煤層為雙突煤層,巷道采用邊抽邊掘的方式掘進,每個小循環工作面迎頭施工卸壓鉆孔8個,孔深40 m,允許進尺30 m;每進尺60 m(2個小循環)后,巷道兩幫施工順煤層鉆場,鉆場內各施工順層鉆孔3個,孔深≥60 m(迎頭卸壓鉆孔仍為8個,孔深40 m不變)。   隨著巷道的施工,巷道距離Fs1斷層越來越近,礦壓顯現愈加明顯,煤層頂板比較破碎,強底低,穩定性差,在距離設計切眼位置還有100 m時,巷道支護由原來的錨索網改為U型鋼棚支護。   3 噴孔過程   為了最大限度地回收煤炭資源,合理布置工作面,盡可能延長順槽長度,順槽施工到設計位置后,采用鉆探對Fs1斷層進行控制和驗證,施工卸壓鉆孔8個,孔深40 m,左鉆場(下幫鉆場)鉆孔參數不變,右鉆場(上幫鉆場)鉆孔與巷道夾角作適當調整,鉆場最里面鉆孔與巷道夾角15°,孔深65 m,所有鉆孔施工均反映正常,巷道繼續向前施工了60 m(其間施工了1茬卸壓鉆孔,全部正常)后,專門施工2個探壓(斷層)孔,2孔與巷道夾角均為30°,抑角分別為6°(A孔)和10°(B孔),A孔16.4 m見巖,終孔21 m;B孔20.8 m見巖,終孔22.9 m。兩孔施工中鉆孔內排出的煤渣比較潮濕(鉆進中使用壓風排渣,該順槽施工鉆孔時排出的煤渣始終比較潮濕),孔內無明顯異常現象。隨后巷道仍繼續向前施工,當進尺14 m,即2004年10月29日夜班20:00,B孔先開始涌水,水呈稀泥漿狀,緊接著出現噴孔,大量瓦斯氣體攜帶著煤屑(塊)、水泥漿以及少量巖石碎塊從孔內噴射而出,最遠達10多米,并且發出巨大的響聲,導致工作面迎頭及整個千米巷道回風流CH4濃度超限。由于間歇性噴孔,巷道內瓦斯濃度不穩定,且時常超限,夜班人員全部撤出停止生產。30日早班人員到達現場后,發現迎頭20 m全部被煤泥水淤積,最大水深達1.2 m,B孔仍有少量清水往外流出(水量<0.5 m3/h),現場清理完后,繼續恢復生產。31日下午17:00,該孔再次出現大規模噴孔,至20:00,共發生7次,噴出物超過第一階段。11月1日早班在清理現場過程中發生最后1次輕微噴孔。噴孔結束后,孔內水流(<0.5 m3/h)清澈,水溫29℃,經檢測水質為HCO3-CL-K+Na型,為煤系砂巖水。為保證安全生產,后期在停頭位置又施工若干探放水(瓦斯)鉆孔,均未發生噴孔現象,只放出極少量的水。   4 噴孔原因分析   根據三維地震勘探成果,Fs1為逆斷層,從井下打鉆資料分析,該斷層實際平面位置略向南移。隨著巷道的施工,巷道距離Fs1越來越近,巷道圍巖壓力也越來越大,現場表現為頂板嚴重下沉,底板鼓起,U型鋼棚變形內收,巷道斷面越來越小,并時常發出頂板斷裂的巨大響聲。這表明巷道開掘后,圍巖應力的重新分布,由于巷道距離斷層較近,且位于斷層面的下方,頂板的下沉及底鼓,導致斷層下盤巖層沿斷層面發生滑移,斷層活化,原始封閉性斷層逐步演變為張性斷層。斷層面2側巖石裂隙和含水層中封存的離壓水、瓦斯以及煤層中的瓦斯(上盤煤層以及13-2、14、15煤瓦斯等),開始沿斷層面(帶)運移聚集,穿過斷層面的鉆孔為其提供了良好卸壓通道,當鉆孔周圍的巖體強度承受不了水和瓦斯的壓力時,便沿鉆孔噴出。在噴孔的過程中,水和瓦斯攜帶的固體(煤巖塊)以及跨孔,容易造成鉆孔暫時性堵塞,從而出現間歇性噴孔。   因此,巷道的變形、應力的重新分布、巖層的位置移導致斷層的活化是噴孔發生的主要原因。因為斷層的活化是一個漸變的過程,巷道開掘后,隨著頂板下沉逐漸出現滴淋水現象,表明了頂板的位移以及地下水的運動,所以出現滯后噴孔。   5 預防措施   在斷層情況比較清楚可靠的情況下,最好的預防措施是按有關規程規定留設足夠斷層煤柱,不要去桶“馬蜂窩”。如果必須要對斷層進行鉆探驗證和控制,應首先進行引排或抽放,鉆孔施工完畢后應及時進行封孔(是否全孔封閉可根據斷層煤柱的多少而定);打鉆施工措施中,尤其是安全防護措施必須認真編制和落實,當在鉆進過程中出現噴孔時,千萬不得取出鉆桿,并嚴禁轉動鉆桿。   當巷道要穿過此類斷層時,應實施打鉆引排或抽放措施,在確認無噴孔危險或噴孔危險消除后,方可施工巷道,并制定巷道過斷層安全措施